腹腔介入式手术机器人虚拟仿真技术研究

论文摘要

近年来,医疗手术机器人作为机器人技术研究中的一个热点领域,已经越来越受到人们的关注。而在机器人的研制、设计和试验阶段以及在运行过程中会出现一系列较难解决而又急需解决的问题:如机器人运动学分析与综合、轨迹规划、机器人与工作环境的干涉等等。人们通过长期的研究发现,机器人虚拟仿真技术是解决这些问题较为理想的工具。本文正是在这种背景下对哈尔滨工业大学机器人研究所设计的腹腔介入式手术机器人进行虚拟运动仿真研究。运动学分析是研究机器人的基础,本文将采用D-H运动学分析方法,求出机器人的运动学正解;根据机器人的结构特性,运用几何法给出机器人运动学逆解;采用矢量积法给出雅可比矩阵。在机器人运动仿真前必须进行运动规划,本文将对腹腔介入式手术机器人在手术中的几个主要任务过程进行规划;然后利用机器人的冗余特性研究自运动和避障运动的算法,并规划具体的实现步骤。建立虚拟仿真平台是进行仿真的前提,本文通过模型转换实现机器人的虚拟建模;利用VC++和OpenGL建立虚拟仿真平台,实现对三维模型的基本操作和动画。然后在仿真平台上编程,实现仿真运动,验证相应的算法是否可行;根据相同的运动规划运行实际机器人,用以检验该仿真是否可靠,是否能够体现机器人的运动特性。如果该仿真平台能很好地完成仿真任务,它必定将在机器人的下一步研究阶起到重要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外相关领域的研究现状
• 1.2.1 国外的研究现状
• 1.2.2 国内的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 腹腔介入式手术机器人运动学分析
• 1.3.2 腹腔介入式手术机器人运动规划
• 1.3.3 腹腔介入式手术机器人虚拟环境的建立
• 1.3.4 腹腔介入式手术机器人仿真试验
• 1.4 本章小结
• 第2章 腹腔介入式手术机器人的运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 运动学的数学基础
• 2.3 机器人正运动学
• 2.3.1 机器人运动学D-H表示法
• 2.3.2 机器人关节坐标系的建立和正运动学求解
• 2.4 机器人逆运动学
• 2.4.1 定位关节变量的求解
• 2.4.2 定向关节变量的求解
• 2.5 介入式手术机器人雅可比矩阵分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 腹腔介入式手术机器人的运动规划
• 3.1 引言
• 3.2 初始位置到插入点的规划
• 3.3 内窥镜插入过程的规划
• 3.4 内窥镜绕插入点旋转的规划
• 3.5 机器人的自运动
• 3.5.1 梯度投影法
• 3.5.2 基于位姿分解的梯度投影法
• 3.6 机器人的避障规划
• 3.6.1 机器人与障碍物之间距离的获取
• 3.6.2 机器人杆件避障
• 3.7 本章小结
• 第4章 机器人虚拟仿真系统的建立
• 4.1 引言
• 4.2 机器人的三维建模
• 4.2.1 OpenGL概述
• 4.2.2 VC++ 6.0 和OpenGL之间图形接口的实现
• 4.2.3 机器人的三维建模
• 4.3 机器人手术系统模型的建立
• 4.4 机器人仿真平台的设计
• 4.4.1 仿真界面的设计
• 4.4.2 仿真平台中三维模型旋转、平移、缩放的实现
• 4.4.3 仿真平台中机器人动画的实现
• 4.5 本章小结
• 第5章 腹腔介入式手术机器人的仿真实验
• 5.1 引言
• 5.2 初始位置到插入点的运动过程仿真
• 5.3 内窥镜从插入点插入的运动过程仿真
• 5.4 内窥镜绕插入点旋转的运动过程仿真
• 5.5 机器人自运动过程仿真
• 5.6 机器人避障过程仿真
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢